Universidad Nacional San Luis Gonzaga

Escuela de Pos Grado

Maestría en Ingeniería y Mecánica EléctricaMención: Gestión de Energía y Medio Ambiente

BIOMASABIOMASANUEVAS TECNOLOGIAS

DOCENTEGuísela Yabar Torres

CURSOTecnología Ambiental y Energía

MAESTRISTABlgo. José Carlos Chacaltana Mendoza

ICA - 2009

I.- Introducción:

Biomasa es la materia orgánica originada en un proceso biológico, espontáneo o provocado, utilizable como fuente de energía. (1)

La energía de la biomasa se refiere a la proveniente de las plantas, los animales y los microorganismos. Su origen final está en la energía solar, fijada por las plantas a través de la fotosíntesis, y almacenada en forma de energía bioquímica. Puede ser aprovechada por combustión o por conversión térmica.

Las plantaciones forestales pueden producir energía vegetal, a través del proceso fotosintético, con eficiencia y alcanzar un promedio de 45 x 106 kg/caloría/ha/año, lo que equivale a 28 barriles de petróleo por ha. En la sierra peruana es urgente iniciar programas de reforestación para proveer, entre otros fines, de leña a las zonas rurales; bajar la presión sobre la cobertura vegetal, y usar el estiércol y los rastrojos agrícolas como materia orgánica y abono. (2)

Detrás del fino velo verde de la “energía limpia” y los “plásticos renovables”, hay una inmensa disputa industrial de las grandes empresas biotecnológicas por apropiarse de la mayor cantidad posible de biomasa del planeta: “El control que tienen los gigantes genéticos sobre los componentes más pequeños de la vida, como el ADN, se ha vuelto mucho más rápido y sofisticado con la inversión de miles de millones de dólares en nuevas tecnologías como la metagenómica y la biología sintética. El 25 por ciento de la llamada biomasa mundial – de todo tipo, incluyendo vegetales, bosques, residuos y otras fuentes de biomasa- ya fue mercantilizado. Ahora la industria está tras el 75 por ciento restante. La búsqueda de mayores cantidades de celulosa vegetal —el material orgánico más abundante en la Tierra— hará que las reservas naturales y las llamadas “tierras marginales” se vuelvan más comercialmente valiosas que nunca. (6)

II.- Clasificación:

La biomasa, como recurso energético, puede clasificarse en biomasa natural, residual y los cultivos energéticos.[]

La biomasa natural es la que se produce en la naturaleza sin intervención humana. Por ejemplo, las podas naturales de los bosques.

La biomasa residual es el subproducto o residuo generado en las actividades agrícolas (poda, rastrojos, etc.), silvícolas y ganaderas, así como residuos sólidos de la industria agroalimentaria (alpechines, bagazos, cáscaras, vinazas, etc.) y en la industria de transformación de la madera (aserraderos, fábricas de papel, muebles, etc.), así como residuos de depuradoras y el reciclado de aceites.

Los cultivos energéticos son aquellos que están destinados a la producción de biocombustibles. Además de los cultivos existentes para la industria alimentaria (cereales y remolacha para producción de bioetanol y oleaginosas para producción de biodiésel), existen otros cultivos como los lignocelulósicos forestales y herbáceos o la pataca.

a. Energía por combustión directa

La combustión directa es un proceso muy antiguo y se refiere a la combustión de la

leña, los residuos forestales y los residuos orgánicos (bosta “excremento de ganado”, celulosa y otros) para obtener calor, especialmente a nivel del hogar.En las zonas rurales la leña juega un rol muy importante como energía para el hogar, o sea, para cocinar los alimentos. En la sierra, en la selva y en la costa norte es de crucial importancia, porque los pobladores tienen escaso acceso al gas y al kerosene

En el Perú se consumen al año varios millones de m3 de leña. En la sierra la leña ya es tan escasa que se recolectan los arbustos (tola en el sur) y plantas almohadilladas altoandinas (yareta en el sur) como combustible, o se utiliza el excremento de los animales o bosta como combustible.

b. Energía por conversión térmica

Se refiere esencialmente a la pirolisis o destilación de la madera en productos secundarios: carbón de leña, alquitrán, alcohol metálico o metanol y gas pobre, entre otros. En el Perú se usan estos procesos sólo artesanalmente para la obtención de carbón de leña en la costa norte y en la Amazonía.

c. Energía por fermentación alcohólica

Consiste en producir alcohol a partir de materias y restos orgánicos mediante la fermentación alcohólica. Existen las técnicas para producir alcohol a partir de la caña de azúcar, la yuca, la madera y los restos celulósicos. El alcohol es considerado una de las posibilidades de sustitución de los combustibles fósiles. En el país se produce con la melaza de la caña de azúcar.

d. Energía por fermentación anaeróbica

Consiste en la producción de gas en cámaras cerradas mediante la fermentación de desechos orgánicos (excrementos, residuos orgánicos, etc.) sin la participación de oxígeno y con bacterias anaeróbicas. Las instalaciones cerradas se denominan digestores de biogás o biodigestores o plantas de biogás. El gas obtenido es una fuente económica para iluminación de viviendas, gas de cocina, calefacción, etc.

En el Perú está en la fase inicial. Se calcula que el potencial nacional es equivalente a 22 millones de barriles de petróleo.

e. Energía animal

Es el uso de animales de carga para arar los campos, como también para mover trapiches y molinos. Su uso está bastante difundido en las zonas rurales (vacunos, caballos, burros, mulos y llamas). (2)

III.- Marco Teórico:

Un equívoco muy común es confundir 'materia orgánica' con 'materia viva', pero basta considerar un árbol, en el que la mayor parte de la masa está muerta, para deshacer el equívoco; de hecho, es precisamente la biomasa 'muerta' la que en el árbol resulta más útil en términos energéticos. Se trata de un debate importante en ecología:

Todo ecólogo empeñado en estimar la biomasa de un bosque se enfrenta, tarde o temprano, con un problema. ¿Deberá incluir también la madera, y quizás incluso la

hojarasca y el mantillo? Una gran proporción de la madera no se puede calificar de materia viva, pero es importante como elemento de estructura y de transporte, y la materia orgánica del suelo es también un factor de estructura.

Otro equívoco muy común es utilizar 'biomasa' como sinónimo de la energía útil que puede extraerse de ella, lo que genera bastante confusión debido a que la relación entre la energía útil y la biomasa es muy variable y depende de innumerables factores. Para empezar, la energía útil puede extraerse por combustión directa de biomasa (madera, excrementos animales, etc), pero también de la combustión de combustibles obtenidos de ella mediante transformaciones físicas o químicas (gas metano de los residuos orgánicos, por ejemplo), procesos en los que 'siempre' se pierde algo de la energía útil original. Además, la biomasa puede ser útil directamente como materia orgánica en forma de abono y tratamiento de suelos (por ejemplo, el uso de estiércol o de coberturas vegetales). Y por supuesto no puede olvidarse su utilidad más común: servir de alimento a muy diversos organismos, la humanidad incluida.

En términos energéticos, se puede utilizar directamente, como es el caso de la leña, o indirectamente en forma de biocombustibles (biodiésel, bioalcohol, biogás, bloque sólido combustible). Pero al igual que no consideramos al vino como biomasa, debe evitarse denominar como biomasa a los biocombustibles (nótese que el etanol puede obtenerse del vino por destilación): 'biomasa' debe reservarse para denominar la materia prima empleada en la fabricación de biocombustibles.

La biomasa podría proporcionar energías sustitutivas a los combustibles fósiles, gracias a biocombustibles líquidos (como el biodiésel o el bioetanol), gaseosos (gas metano) o sólidos (leña), pero todo depende de que no se emplee más biomasa que la producción neta del ecosistema explotado, de que no se incurra en otros consumos de combustibles en los procesos de transformación, y de que la utilidad energética sea la más oportuna frente a otros usos posibles.

Actualmente (2009), la biomasa proporciona combustibles complementarios a los fósiles, ayudando al crecimiento del consumo mundial (y de sus correspondientes impactos ambientales), sobre todo en el sector transporte. Este hecho contribuye a la ya amplia apropiación humana del producto total de la fotosíntesis en el planeta, que supera actualmente más de la mitad del total, apropiación en la que competimos con el resto de las especies. (1)

Nuevas tecnologías en el uso energético de la biomasa

1. Una combustión eficiente.2. Una combustión limpia y protectora del medio ambiente.

Estas tecnologías fueron reconocidas como innovadoras a través del Certámen "100 Empresas Innovadoras en Iberoamérica".

Uso de la cámara de combustión torsional para combustibles sólidos

Antecedentes

El objetivo fundamental en la utilización de un combustible es lograr la mejor transformación energética posible (o sea la mejor combustión posible), atendiendo a la

eficiencia térmica, a la seguridad, a la limpieza y a los costos de operación y mantenimiento. Sabido es que los combustibles sólidos crean mayores dificultades en su utilización que los líquidos o gaseosos. La combustión, como fenómeno químico exotérmico, exige el cumplimiento de condiciones físicas específicas para su desarrollo, a saber:

1. Dosificación de aire2. Temperatura3. Pulverización4. Turbulencia5. Tiempo

Los factores 1 y 2 se deben regular en función del tipo de combustible. El factor 3 se debe lograr por tratarse de un fenómeno químico a nivel molecular, con elementos que se combinan en fase gaseosa. Luego, para culminar el proceso, asegurar una mezcla íntima entre el combustible y el aire mediante turbulencia y darle tiempo para que la reacción se complete en la cámara de combustión. Es claro además que los cinco factores están inter-relacionados. Por ejemplo, el no tener una buena turbulencia y tiempo de residencia en la zona donde se tiene la temperatura adecuada, exige trabajar con dosificación de aire inadecuada, mayor exceso y por lo tanto menor eficiencia, al tiempo de tener partículas no quemadas en la chimenea (monóxido de carbono o carbonilla). El motivo central de dificultad en la utilización del combustible sólido radica en lograr el factor 3, o sea llegar al estado en el cual la reacción química se haga posible y de ahí los problemas inherentes a los sistemas convencionales de parrilla y/o parvas, caracterizados por una necesidad de elevado exceso de aire y por consiguiente baja eficiencia de contaminación que exigen sistemas de depuración sumamente costosos.

Cámara torsional

La cámara de combustión torsional se plantea como solución para optimizar algunos de los factores que gobiernan la combustión (Turbulencia-Tiempo), de manera de poder trabajar con el mínimo exceso de aire (máxima eficiencia) y asegurar la combustión completa (máxima limpieza y seguridad).

El sistema consiste en mantener las partículas combustibles, dentro de la zona de combustión, en sustentación aerodinámica, rotando dentro de la misma, mezcladas con el propio aire de combustión. Esto permite que las partículas combustibles, primero en vías de pirolización pérdida de los volátiles y luego en la gasificación del carbono fijo, dispongan de las mejores condiciones de intercambio a través de la turbulencia y disgregación provocadas por la rotación y por un tiempo de permanencia dentro de la zona de alta temperatura, que no es menos de 30 voces el correspondiente a los gases en trayectoria normal.

El resultado es una combustión prácticamente perfecta con un mínimo exceso de aire 10% y ausencia total de partículas carbonosas, equivalentes a máxima eficiencia y limpieza, mínimos costos operativos y de mantenimiento. Desde el punto de vista constructivo, la cámara consta de una pared de apara, conformada por doble camisa o tubos, dependiendo de la presión de diseño, comunicada al sistema agua-vapor de la caldera, con un mínimo de materiales refractarios en zonas de baja temperatura, con lo que prácticamente se eliminan los costos de mantenimiento refractario.

Una envolvente exterior comunicada al ventilador forzado, conforma un múltiple de aire, el cual es enviado al interior de la cámara a través de varias filas de toberas. La disposición de éstas crea en la mezcla aire-combustible un flujo turbulento de trayectoria helicoidal, con lo que se logra una óptima calidad de la mezcla y un elevado tiempo de permanencia dentro de la cámara. Esta forma de dosificación del aire, permite además uniformar las temperaturas dentro de la misma, minimizando la fusión de cenizas, con lo que se logra separar y evacuar parte de las mismas en la propia cámara de combustión.

Aplicaciones

La cámara torsional es específicamente apropiada para la quema de combustibles sólidos de pequeña granulometría: cáscara de girasol, cáscara de algodón, aserrín, viruta, cáscara de arroz, etc., estando su tamaño limitado por la posibilidad de sustentación aerodinámica. No obstante, también se ha utilizado con grandes ventajas en combustibles líquidos (fuel oíl) y especialmente como complemento de los gasógenos para la quema de gas de leña. En este caso las características de la cámara torsional permiten obtener una combustión de alto rendimiento y estabilidad con excesos de aire menores del 10% más allá de las variaciones en la calidad del combustible. También es posible el uso simultáneo de combustibles de distintas características, por ejemplo, fuel oíl y gas de leña o combustible sólido y gas de leña. La cámara torsional es aplicable a calderas de cualquier tipo, nuevas o existentes, humo o acuotubulares, con capacidades hasta 100 t de vapor por hora. También es aplicable a hornos y secadores, ya sea para utilización de los gases de combustión en forma directa o indirecta. (3)

Producción de electricidad utilizando residuos agroindustriales

El aprovechamiento de residuos agroindustriales permite generalmente la solución de problemas de contaminación ambiental y la disminución de los costos de la producción principal. En la mayoría de los casos la potencia eléctrica que se puede instalar es de unos pocos megawatt por lo que la utilización de plantas térmicas es muy costosa debido al factor de escala, es por este motivo que el sistema gasificado de biomasa-motor de combustión interna es la tecnología más adecuada en este caso. La principal dificultad en su explotación es la presencia de resinas en el gas combustible producido, lo que exige un eficiente sistema de limpieza que disminuye la eficiencia energética del sistema. Este problema puede ser evitado mediante el uso de gasificadores en lecho fluidizado, ya que en los mismos, por su alta temperatura de trabajo, se produce el craqueo térmico de las resinas. Existen trabajos sobre el uso de catalizadores para lograr el craqueo catalítico de las mismas. Se acepta que con estos sistemas se pueden lograr eficiencias del orden del 20-25% en la generación de electricidad. Las industrias que en Cuba producen residuos lignocelulósicos que pueden ser utilizados en la generación de electricidad son la industria del procesamiento de la madera y la industria arrocera.

El sistema de gasificación seleccionado es en lecho fluidizado utilizando aire como medio de fluidización, lo cual permite que sea explotado, en dependencia del régimen de temperatura y de flujo de aire, en régimen de pirólisis rápida o de gasificación utilizando resultados de investigaciones nacionales. En el caso de la pirólisis se

obtienen como productos del proceso, además de los gases, una fracción líquida y carbón vegetal.

La producción de electricidad se realiza utilizando un gasogenerador en lecho fluidizado integrado a un motor de combustión interna. Considerando una eficiencia en la generación de electricidad del 20%, se requeriría el 13% de la cáscara de arroz producida para la producción de la electricidad consumida en el secado y el 23% en el molinado. Las evaluaciones realizadas en el proyecto indican que sólo es necesario el 58% de la cáscara de arroz producida para generar toda la energía térmica y eléctrica consumida en el procesamiento industrial del arroz.

La implementación del proyecto se propone en un molino con capacidad de procesamiento de 7,5 t/h de arroz y de dos secaderos con capacidad de 11,5 t/h. La base energética en este caso consistiría de un horno de lecho fluidizado con una potencia térmica de 1,7 MW para el calentamiento del aire que se utiliza en el secado del arroz y tres plantas gasogenerador-grupo electrógeno de 250 kW cada una.

Conclusiones

Existe la posibilidad de generar electricidad, utilizando tanto la biomasa forestal como residuos lignocelulósicos agroindustriales, con el propósito de contribuir con el suministro de electricidad.

Las tecnologías que se consideran en estos proyectos son los ciclos térmicos de alta presión, la gasificación de la biomasa en lecho fluidizado y se consideran como perspectiva la utilización de las turbinas aereoderivativas en el campo de la producción de electricidad a partir de la biomasa. (4)

Nueva tecnología para generar combustible a partir de biomasa celulósica

El proceso de obtención del etanol es sencillo, pero hasta la fecha poco productiva debido a ciertas dificultades técnicas que la empresa fabricante de motores Honda asegura haber resuelto gracias a un microorganismo desarrollado por su socio en este esfuerzo de investigación, el Research Insitute of Innovative Technology. El resultado es la posibilidad de generar etanol a partir de biomasa de plantas no comestibles (bio-etanol) en grandes cantidades y de forma ecológica, lo que quizá terminaría con el problema de los combustibles fósiles en el mundo.

La empresa japonesa de fabricación de vehículos Honda ha trabajado en conjunción con el también japonés Research Insitute of Innovative Technology (RITE) en el desarrollo de una novedosa tecnología que permitirá generar etanol a partir de la biomasa de la celulosa. Se trata del primer proceso práctico en el mundo para la producción del etanol a partir de este tipo de fuente, lo que supone un gran paso hacia la utilización de materiales vegetales no comestibles como combustible.

El etanol es un compuesto químico de múltiples usos que, como combustible, puede utilizarse solo o mezclado con gasolina en cantidades variables, con el fin de reducir el consumo de derivados del petróleo y la consecuente contaminación atmosférica.

Además, resulta ecológico, señala Honda en un comunicado, porque el dióxido de carbono (CO2) emitido por la combustión del bio-etanol (etanol producido a partir de maíz, sorgo, patatas, trigo, caña de azúcar o biomasa) está en equilibrio con la cantidad de CO2 que toman las plantas del aire en el proceso de la fotosíntesis, por lo que no incrementaría la cantidad total de dióxido de carbono atmosférico.

Fácil pero poca cantidad

Hoy por hoy, este compuesto es el combustible más utilizado en Brasil, y va ganando popularidad en Estados Unidos. Se obtiene fácilmente del azúcar o del almidón en las cosechas de maíz y caña de azúcar, por ejemplo.

Sin embargo, los métodos empleados hasta ahora para la producción del llamado bio-etanol utilizan una cantidad de energía demasiado significativa en comparación con la energía del combustible resultante. Por eso, no es factible sustituir completamente el consumo actual de combustibles fósiles por bio-etanol.

Honda y el RITE afirman que el nuevo método permitiría que se produzcan grandes volúmenes de etanol a partir de los desechos de madera, hojas y otras fuentes de celulosa o biomasa suave.

La tecnología actual de transformación de la biomasa celulósica en etanol es de baja producción debido a la interferencia de inhibidores de fermentación con la función de microorganismos que convierten el azúcar en alcohol.

Estos inhibidores se forman sobre todo durante el proceso de la separación entre la celulosa y la hemicelulosa (componentes básicos de la parte fibrosa de las plantas) a partir de la biomasa suave. Asimismo, se produce a partir de plantas comestibles, como el azúcar, el almidón de la caña de azúcar y el maíz, lo que aumenta sus limitaciones.

Microorganismo del RITE

El nuevo procedimiento utiliza un microorganismo desarrollado por RITE que ayudaría a reducir dicha interferencia, permitiendo una mayor eficiencia en la producción del etanol. Este microorganismo convertiría el azúcar en alcohol.

El proceso tiene cuatro fases: el pretratamiento que separaría la celulosa de la biomasa suave, la sacarificación (o proceso de conversión del carbohidrato en azúcar) de la celulosa y la hemicelulosa, la transformación del azúcar en etanol utilizando microorganismos y, por último, el refinamiento del etanol resultante.

El avance resuelve el último obstáculo fundamental de la producción de etanol a partir de biomasa suave, asegura la compañía. Las próximas investigaciones se centrarán en la producción a gran escala de etanol, incluyendo el desarrollo de sistemas que integren los cuatro pasos del proceso, que en la actualidad se ejecutan por separado, en una sola planta, reciclando así energía para el ahorro energético y la reducción de los costes.

El departamento de investigación de Honda, Honda R&D, pondrá en marcha en 2008 un plan de prueba para probar la tecnología en aplicaciones prácticas.

El etanol va camino de convertirse en uno de los más importantes productos del mundo por el precio cada vez más alto de los combustibles fósiles y por su valor ecológico. Asimismo, su producción cada vez atrae a más inversores, por el margen de beneficios, que alcanza ya más del 20%. (5)

Planta de Biomasa de BCyL

Primera planta de demostración comercial en el mundo de obtención de etanol a partir de biomasa por la tecnología de hidrólisis enzimática realizada por Abengoa Bioenergía SA.

Su objetivo final es el desarrollo de tecnologías de producción competitivas con la gasolina. Considerando el rápido incremento del precio de los productos derivados del petróleo, es cada vez más urgente la necesidad de desarrollar tecnologías alternativas que den lugar a productos químicos y a carburantes a partir de fuentes renovables, como son los residuos agrícolas (paja de cereal, residuos de mazorcas de maíz, etc). Con la construcción de la Planta de Biomasa de BCyL, Abengoa Bioenergía demuestra claramente un liderazgo mundial en tecnología y desarrollo de negocio de este mercado tan importante y de tan rápido crecimiento.

Abengoa Bioenergía Nuevas Tecnologías (ABNT) es quien proporciona su tecnología patentada de proceso, así como el diseño de la ingeniería de proceso de la Planta de Biomasa de BCyL. Los objetivos fundamentales de la Planta de Biomasa son demostrar comercialmente el proceso de conversión de biomasa en etanol, optimizar las unidades de proceso, y establecer un punto de partida para una futura expansión de la industria del etanol. Además de etanol, la planta producirá una cantidad suficiente de residuos de fermentación para el desarrollo y análisis de coproductos, como son piensos animales y sustancias químicas.

Los principales pasos del proceso de la planta, son los siguientes: Almacenamiento y preparación de la materia prima, pre-tratamiento, Hidrólisis de la celulosa, Fermentación del etanol y Recuperación del etanol.

La materia prima lignocelulósica, como la paja de trigo y de cebada, es, en primer lugar, molida y limpiada, y entonces se realiza un pretratamiento sobre la misma. La biomasa ya pretratada es digerida por los enzimas, para liberar las moléculas de azúcar, que serán a continuación fermentadas por las levaduras dando lugar a etanol y a dióxido de carbono. El etanol es recuperado en el proceso de destilación, y queda un residuo de la fermentación que es procesado para obtener pienso animal, o bien para recuperar sustancias químicas de sean de utilidad. (7)

Se inaugura en Holanda la planta de energía de Biomasa más grande del mundo que funciona usando exclusivamente estiércol de pollo

Gerda Verburg, Ministro holandés de Agricultura, Medio Ambiente y Calidad de los Alimentos, inauguró la planta de energía de biomasa más grande del mundo que funciona usando exclusivamente estiércol de pollo. El proyecto de 150 millones de € es propiedad y está operado por la multi de servicios públicos Delta, cooperativa DET, ZLTO y Austrian Energy & Environment A.G.

La instalación generará electricidad renovable a 90.000 hogares. La planta de energía de biomasa resuelve un importante problema ambiental en los Países Bajos: la gestión de la gran exceso de flujo de estiércol de pollo, que, hasta hoy, ha sido necesario tramitar un elevado coste.

La planta de energía de biomasa utilizará aproximadamente 440.000 toneladas de este deshecho, aproximadamente un tercio de la cantidad total producida cada año en los Países Bajos. Muchos países europeos, entre ellos los Países Bajos, están bajo un exceso de diferentes tipos de estiércol animal que contaminan el medio ambiente. (8)

Bibliografía

1.- Biomasa. La Enciclopedia Libre. (Miércoles 16-09) (8:20am)http://es.wikipedia.org/wiki/Biomasa

2.- La energía de la Biomasa. (Miércoles 16-09) (9:01am)http://www.peruecologico.com.pe/lib_c15_t09.htm

3.- Barreto. W. Empresa Julio Berkes S.A., Uruguay (Jueves 17-09) (13:05pm)http://www.fao.org/docrep/t2363s/t2363s0h.htm

4.- Dr. Curbelo A., División de Industria y Energía, Agencia de Ciencia y Tecnología, Cuba. (Jueves 17-09) (14:38pm)http://www.fao.org/docrep/t2363s/t2363s0i.htm#TopOfPage

5.- Martínez Yaiza. Tendencias de la Ingeniería (Jueves 17-09) (13:59pm)http://www.tendencias21.net/Nueva-tecnologia-para-generar-combustible-a-partir-de-biomasa-celulosica_a1133.html

6.- Asalto a la Biomasa del planeta Grupo ETC/Greenpeace/Biofuel WatchBoletín de prensa. 2009. (Viernes 18-09) (14:26pm)http://www.etcgroup.org/es/materiales/publicaciones.html?pub_id=761

7.- Abengoa Bioenergía, S.A (Viernes 18-09) (14:50pm)http://www.abengoabioenergy.es/sites/bioenergy/es/nuevas_tecnologias/proyectos/planta_biomasa/index.html

8.- Medio Ambiente Ok (Sábado 19-09) (10:10am)http://medioambienteok.blogspot.com/2008_09_07_archive.html